電力變壓器噪聲及其傳播特性研究

胡 非,高紅亮,唐 勇

(湖北師范大學 電氣工程與自動化學院,湖北 黃石 435002)

變壓器噪聲主要為低頻噪聲,低頻噪聲會對人們的日常生活產生更嚴重的影響,低頻噪聲不易消減,可以直接到達人耳,使人產生煩躁的情緒,長期受到低頻噪聲的影響會使人產生精神疾病,對人們的身體健康和精神健康都有危害。隨著城鄉建設發展,越來越多變壓器建在接近居民區的位置,由于其產生的噪聲,對人們的生活學習產生了很大影響。變壓器引起的噪聲問題引起了社會的廣泛關注,從技術問題逐步演變為社會問題,變壓器設計和生產廠家需要通過各種措施降低變壓器噪聲,以達到當今社會對于環境噪聲的標準。經過對變壓器噪聲的衰減特性和傳播特點的探究,得到降低變壓器噪聲的技術和方法,改善環境噪聲[1]。我國變壓器目前的噪聲控制水平還沒有達到國際水準,需要探究變壓器噪聲的特點,為降低變壓器噪聲提供理論依據,降低變壓器的噪聲以達到當代社會對噪聲水平的要求[2,3]。

硅鋼片的材質、鐵芯的結構和冷卻裝置的振動都會對變壓器噪聲的大小產生影響。經過研究發現,變壓器本體裝置的噪聲最主要的原因還是硅鋼片的磁致伸縮,因為變壓器噪聲以低頻噪聲為主,低頻噪聲的治理相比起高頻噪聲的治理更加困難,由于低頻噪聲不容易衰減,故傳播距離較遠。

目前對于噪聲的治理主要有兩種方式:無源控制技術和有源控制技術。主體分為有源降噪和無源降噪。實際的變壓器噪聲治理中,將有源降噪和無源降噪結合起來,從而使電力變壓器降噪效果更好。本文主要研究電力變壓器噪聲的傳播特性,為變壓器降噪提供理論支撐,研究更直接有效的措施來控制變壓器噪聲,具有現實意義。

1 電力變壓器本體噪聲產生機理及主要影響因素

1.1 電力變壓器本體噪聲

1.1.1 鐵芯噪聲 變壓器的鐵芯是由鐵芯柱、鐵軛、夾緊件、絕緣件、接地片等部件組成的,構成一個堅實的實體,是變壓器的磁力線通路,起到集中和傳導磁通的作用,同時也是變壓器內部的骨架。鐵芯是由硅鋼片疊裝而成的,由物質熱脹冷縮的現象可知,物質遇熱會膨脹,否則冷縮。除此之外,由鐵磁性物質在磁場和電場中的磁化狀態可知,硅鋼片在磁場和電場中尺寸也會有伸長或縮短的變化。將硅鋼片在磁場和電場中尺寸的變化叫做磁致伸縮現象,鐵芯的硅鋼片在磁場的作用下,發生磁致伸縮而引起的振動是變壓器鐵芯產生噪聲的原因。

變壓器的本體噪聲完全由鐵芯的磁致伸縮決定,鐵芯的磁致伸縮振動通過固體和液體兩種途徑傳至油箱,鐵芯振動通過以下兩種方式傳遞給油箱后,油箱產生振動,從而產生本體噪聲。

1)固體傳播:由墊腳傳至油箱;

2)液體傳播:由絕緣油傳至油箱。

1.1.2 繞組噪聲 繞組是變壓器的電路部分,變壓器在運行時,繞組有電流流過,產生銅損耗,并引起發熱,因此,繞組需要使用電導率高的金屬材料制造,這樣才能減小電流損耗和發熱,制造繞組最常用的材料是銅和鋁,在其表面包上絕緣材料。變壓器經過長時間運行或預緊力不足時,繞組會存在松動或變形的情況,從而使變壓器本體內部的機械性能降低,這是造成變壓器內部故障的原因之一,也是產生噪聲的原因之一。當變壓器工作時,負載電流通過繞組,變壓器鐵芯和繞組之間會產生漏磁,使變壓器結構件產生振動,結構件振動產生噪聲。

1.1.3 電力變壓器冷卻裝置噪聲 在冷卻裝置中,最關鍵的兩個構件是冷卻風扇和油箱,它們產生噪聲的主要原因如下:

1)冷卻風扇與油泵在工作時,風機運行和油箱電機轉動會產生噪音;

2)扇葉運行不平衡會振動從而輻射噪聲;

3)電力變壓器運行時各元件振動,通過固體和液體兩種傳播路徑傳遞至冷卻系統,冷卻系統的振動增強,從而增加輻射噪聲[4]。

1.2 影響變壓器噪聲的主要因素

1.2.1 硅鋼片磁致伸縮ε對噪聲的影響 鐵芯勵磁時硅鋼片的磁致伸縮系數ε(ε=ΔL/L,ΔL為磁致伸縮的增量,L為硅鋼片長)是造成變壓器噪聲的主要因素,磁致伸縮ε與噪聲大小成正比,即磁致伸縮ε越小,變壓器噪聲越小。

影響硅鋼片磁致伸縮的因素有如下幾種:

1)硅鋼片的選材?，F階段制造廠多數采用23RK085～30RK105等高牌號硅鋼片,這類硅鋼片經激光照排提高結晶方位的完整度,使鐵芯振動減小;

2)絕緣涂層的厚度。從理論上分析,硅鋼片越薄、涂層越厚,涂層表面的張力就越大,則硅鋼片在電場或磁場中的變化就小,即磁致伸縮ε就越小,則噪聲越小;

3)磁通密度的大小。磁通密度越大,則噪聲越大;

4)硅鋼片的退火工藝和硅鋼片的溫度等也會影響硅鋼片磁致伸縮。

1.2.2 鐵芯結構對噪聲的影響 鐵芯勵磁噪聲是變壓器工作時產生的主要噪聲之一,其產生與鐵芯的磁通密度分布、接縫方式和疊積方式等因素有關。此外,鐵芯的裝配工藝也對變壓器噪聲產生影響,變壓器噪聲和鐵芯的夾緊力也有著密切的關系。因此在設計和制造變壓器的過程中,需要綜合考慮多種因素,制定合理的鐵芯結構和裝配工藝方案,以降低鐵芯勵磁噪聲,提高變壓器的性能和可靠性。

1)鐵芯中磁通密度分布是不均勻的,硅鋼片在電場和聲場中伸縮也是無規律的,所以鐵芯區域內的磁致伸縮也是不均勻的;

2)鐵芯接縫方式對噪聲的影響也比較大,使用斜接縫比直接縫噪聲能降3 dB～5 dB;

3)鐵芯的疊積方式也會對變壓器噪聲產生一定的影響。研究表明,相比于單片疊,雙片疊的變壓器噪聲要高出2 dB左右;

4)鐵芯的夾緊力處在最佳值時,噪聲最低,優化鐵芯夾緊力能使噪聲降低0～5 dB.

2 電力變壓器降噪措施

變壓器的噪聲主要以聲波形式在空氣中擴散。為了降低變壓器的噪聲,可以從兩個方面入手:一方面是控制鐵芯和繞組的振動,降低本體噪聲;另一方面是控制冷卻系統的噪聲水平,降低冷卻裝置噪聲。

針對變壓器的本體噪聲問題,我們可以通過減少鐵芯磁致伸縮和降低繞組振動等手段來降低噪聲。其中,對于鐵芯的磁致伸縮問題,可以通過優化鐵芯結構和合理選擇硅鋼片等材料來控制。針對冷卻系統的噪聲問題,我們需要盡可能地控制和降低冷卻裝置的噪聲水平,同時還需考慮防止冷卻裝置與變壓器一起形成共振現象。為此,可以采用隔聲、消聲等技術,同時結合降噪材料和減振裝置等技術手段。

綜上所述,為了降低變壓器的噪聲,需要從多個方面進行考慮和改進,結合具體情況選取合適的措施方案以達到較好的降噪效果。

2.1 變壓器內部降噪措施

從變壓器內部采取方法進行降噪,可以從鐵芯和繞組兩部分采取手段進行噪聲控制。

2.1.1 鐵芯降噪的方法 1)減少磁致伸縮。要有效地降低變壓器的噪聲,最關鍵的措施之一是減少硅鋼片的磁致伸縮。磁致伸縮是變壓器噪聲的主要來源。為此,可以通過合理優化鐵芯的設計結構、選擇質量更好的硅鋼片以及采用現代材料制造變壓器等措施來減少磁致伸縮。2)降低鐵芯磁通密度。磁致伸縮率與磁通密度有關系,磁通密度越小,磁致伸縮也越小,鐵芯噪聲也越小。

2.1.2 繞組降噪的方法 對于繞組降噪,最好的方式為施加預緊力,在變壓器工作過程中加強監測預緊力,當繞組預緊力達到最佳狀態,繞組噪聲也能減小至最佳狀態。

2.1.3 油箱降噪的方法 對油箱進行適度的技術改造也可以在一定程度上減少變壓器噪聲,對油箱的技術改造包括以下兩個方面:

1)增加油箱厚度或提高油箱箱體剛性,降低油箱的振動幅度和頻率;

2)在油箱底部設置減振器。增設減振器避免油箱底部與基底直接接觸可以降低變壓器本體振動引發的噪聲,可以很好地降低由于直接接觸帶來的傳遞振動,通過削減振動來降低噪聲。

2.2 變壓器外部降噪措施

2.2.1 冷卻裝置降噪

1)冷卻方式的選擇

在選擇變壓器冷卻裝置時,不僅要滿足散熱功能,還應盡量減小噪聲到規定范圍。為了平衡散熱和噪聲兩種要求,變壓器冷卻裝置在選擇冷卻裝置時可以采用自冷片式散熱器,這種冷卻方式比風冷散熱器或強油循環風冷卻器的噪聲低很多,可以降噪15 dB(A)以上[5]。

2)軸流風機的選擇

如果選擇環保的低噪聲風機可以起到明顯的降噪作用。一臺變壓器如果高負荷時啟動4臺低噪聲風機,將會降低近20 dB(A)的噪聲。

2.2.2 變壓器戶外改戶內

對于原本暴露在空氣中的變壓器來說,最簡單、最快捷且成效比較好的措施是加裝隔音設備。這種措施并不是把變壓器從室外移入室內,而是在變壓器原有的基礎上,從外部修建一座隔音室,將整臺變壓器置于隔音室中。此外,可以將隔音室的門設置為防火隔音門,增強門的隔音量的同時保證防火安全。為了減少噪聲,將不需要開口的窗戶全部封閉,并采取吸聲處理措施,如使用吸音材料裝備隔音室的墻壁、吊頂等,從而減小噪聲。這種方法相對簡單易行,能夠有效降低變壓器的噪聲,對于一些對噪聲環境要求較高的地區,特別是人口密集區域,加裝隔音設備是一種較為實用的噪聲控制方法。

3 構建電力變壓器噪聲模型及結果分析

功率譜估計(PSD)是一種功率譜,其估計信號的方式是分析數據,它涉及很多基礎學科,例如概率統計、信號分析和信號系統。功率譜估計包括經典譜估計和現代譜估計兩種。本節用來對變壓器采樣信號進行觀察的是經典功率譜估計中的周期圖法和在周期圖法上進行改進的Welch算法,以及現代功率譜中AR模型參數估計的Burg算法。

1)周期圖法。周期圖法是一種直接法,也稱為周期圖直接法。該方法利用傅里葉變換直接計算隨機信號的功率譜密度估計。周期圖法將隨機信號分割為多個周期信號,然后對各個周期信號進行快速傅里葉變換(FFT),累加得到能量譜密度函數。計算得到的譜密度再取絕對值的平方,并除以信號長度N,即得到信號功率譜密度的估計值[6]。

(1)

2)Welch算法。目前頻譜估計中經典的算法包括Barlett法、Nattall法以及Welch法等。其中,Welch法是由Welch提出的一種修正周期圖法,是一種應用廣泛的頻譜估計算法。

Welch算法的核心思想是采用數據分段加窗處理再求平均的方法。具體來說,先將原始信號數據分為若干段,然后對每一段數據進行加窗處理,最后對每一段數據進行FFT變換等處理,得到每一段數據的譜估計。然后,對所有譜估計進行平均處理得到總的譜估計結果。根據概率統計理論,若將原長度為N的數據分為L段,每段長度取M=N/L,且各段數據互為獨立,則估計的方差將只有原來不分段的1/L,從而達到一致估計的目的。但是,在選擇分段的參數L和M時需要兼顧分辨率與方差的要求,適當調整參數以使結果盡量滿足實際情況的需求。

為了減小分段數增加對分辨率的影響,在實際應用中通常會采用各段數據有一定重疊的方法進行分段。Welch算法基于周期圖法進行改善,所得的圖像在觀察信號方面更加平滑。除了Welch算法,還有其他的頻譜估計算法可以進行降重,包括基于自相關函數計算自譜、平均倒譜法、Yule-Walker方法、最小二乘法譜估計等。此外,還可以采用物理上的降噪設備、數字信號處理技術或人工智能等技術進行降重處理。針對不同的噪聲類型和信號特征,可以選擇不同的方法和技術進行處理,以提高信號質量[7]。

3)Burg算法。Burg算法是一種經典的譜估計算法,其基本思想是利用線性預測器對觀測數據進行前、后向預測,通過最小化總的均方誤差來直接估計反射系數。然后,通過Lenvinson-Durbin算法的遞推公式求解自回歸模型參數。相比于其他譜估計算法,Burg算法的優點在于不需要對未知數據做任何假設,因此具有較高的估計精度[8,9]。

3.1 利用周期圖法分析噪聲傳播特性

利用MATLAB中的periodogram函數實現對變壓器采樣噪聲周期圖法的功率譜估計。采樣頻率為2 500,采樣點數為1 250,FFT點數為1 024,窗函數采用海明窗。

由仿真得出的變壓器采樣噪聲的時域信號圖如圖1所示:

圖1 采樣噪聲的時域信號圖

由圖1可以看出,隨著噪聲的傳播,噪聲幅值有所增大。

在周期圖法下觀察噪聲的功率頻譜圖如圖2所示,選取0～1 Hz下變壓器噪聲傳播的功率頻譜圖如圖3所示。

圖2 周期圖法下的噪聲功率譜圖

圖3 0～1Hz下的功率譜圖

由上圖可知,隨著噪聲的傳播,波攜帶的功率會逐漸降低,我們需要采用適合技術手段來消除諧波和噪聲,減少對電能的質量的影響。

3.2 利用Welch算法分析噪聲傳播特性

利用MATLAB軟件中提供的pwelch函數進行功率譜估計,實現對變壓器采樣噪聲的Welch算法處理。FFT點數為1 024,采樣頻率為2 500,采樣點數為1 250,窗函數采用rectangular窗。

在Welch算法下觀察噪聲的功率譜圖如圖4所示,同理選取0～1 Hz下并采取Welch法的變壓器噪聲傳播的功率頻譜如圖5所示。

圖4 Welch算法下的噪聲功率譜圖

圖5 0～1 Hz下的功率譜圖

由上圖可知,變壓器噪聲呈低頻特性,低頻噪聲的特點是波長較長,能輕而易舉穿越聲屏障,不易受阻擋,在空氣中隨著距離增大,其衰減也比較慢,低頻噪聲可以傳播很遠,影響范圍也因此比較廣。在高頻噪聲能夠比較容易地被阻擋消減的條件下,對于噪聲的治理研究應以低頻噪聲為主?？偟膩碚f,相較于高頻噪聲,低頻噪聲的衰減速度較慢,不太容易衰減,頻率集中于100 Hz左右,在傳播過程中,100 Hz的噪聲衰減得最慢。

3.3 利用Burg算法分析噪聲傳播特性

利用MATLAB軟件中的Pburg函數,可以對變壓器采樣噪聲進行Burg算法的功率譜估計,并繪制出相應的功率譜密度曲線。AR模型階數p=14,FFT點數為1 024,確定采樣頻率2 500,采樣點數1 250.

在Burg算法下觀察噪聲的功率譜圖如圖6所示,由圖6可知,變壓器采樣噪聲功率在可聽聲的頻率范圍內波動很小,表明噪聲在可聽聲頻率范圍下持續時間長且不易衰減。

圖6 Burg算法下的噪聲功率譜圖

在Burg算法下選取0～1 Hz進行觀察如圖7所示。

由圖7可知噪聲在聲源處衰減最多,說明變壓器降噪最好的方法是在聲源處減小噪音的傳播。在減少噪聲的三個途徑中:控制噪聲源、阻擋噪聲傳播、在接收處防止噪聲入耳。其中,最根本有效的方法是消除或減弱噪聲源。

3.4 結果分析

利用MATLAB軟件對變壓器采樣噪聲進行研究,由程序得出變壓器采樣噪聲的時域信號圖,在MATLAB中調用函數,用周期圖法、Welch算法和Burg算法對噪聲的功率譜密度圖進行分析,分析得出:

1)電力變壓器噪聲主要在110 Hz左右,噪聲波長較長,屬于低頻噪聲,低頻噪聲相較于高頻噪音來說不容易衰減,由于其的繞射和透射現象,低頻噪聲不易阻斷,更能到達人耳,對人們的日常生活產生影響,對于電力變壓器噪聲的治理應該以減少低頻噪音為主;

2)分析功率譜圖可得,隨著變壓器噪聲的傳播,每單位頻率波攜帶的功率逐漸降低,會對電能的質量產生影響,變電站需要采取合適手段降低諧波和噪聲,減少其對電能質量的危害;

3)用Welch算法進行分析,噪聲在傳播過程中總體趨勢呈衰減特性,主要衰減原因是被空氣吸收,被地面吸收,在傳播過程中遇到聲屏障,隨著傳播距離擴大,能量減少;

4)由Burg算法可知,變壓器噪聲在可聽噪聲范圍內不易衰減,且持續時間長,在噪聲剛開始傳播時其衰減最多。在實際的變壓器噪聲控制過程中,主要治理110 Hz的低頻噪聲。

4 結論

本文將電力變壓器噪聲影響因素以及變壓器噪聲產生機理作為已知條件,采用MATLAB軟件進行仿真,得出變壓器采樣噪聲的時域信號圖,分析噪聲模型衰減程度和噪聲在傳播過程中的衰減趨勢,通過觀察變壓器采樣噪聲在周期圖法、Welch算法及Burg算法下的功率頻譜圖,更清晰地觀察到變壓器噪聲的衰減規律及傳播特性,為變壓器降噪措施的提出進行理論指導。